DE102010060955A1 - Oscillation testing device for mechanical application of e.g. crankshaft of internal combustion engine with mechanical, dynamic test load, has control device varying phase position of unbalance force relative to another unbalance force - Google Patents
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Abstract
Description
TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNGTECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
Die Erfindung betrifft eine Schwingungsprüfeinrichtung, mittels welcher ein beliebiger Prüfling mechanischen dynamischen Prüflasten ausgesetzt werden kann. Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung einer derartigen Schwingungsprüfeinrichtung für einen besonderen Anwendungsbereich.The invention relates to a vibration test device by means of which any test object can be exposed to mechanical dynamic test loads. Furthermore, the invention relates to the use of such a Schwingungsprüfeinrichtung for a particular application.
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
Schwingungsprüfungs-Aktuatoren finden Einsatz zur dynamischen Prüfung eines Prüflings. Bei dem hier einschlägigen Aktuator findet zur Erzeugung einer Kraft ein sogenannter Unwuchterreger Einsatz. In derartigen Unwuchterregern werden zwei Unwuchtmassen mit derselben Drehzahl oder Winkelgeschwindigkeit, aber gegenläufig angetrieben. Die rotierenden Unwuchtmassen erzeugen jeweils eine rotierende Trägheits- oder Unwuchtkraft. In Folge des gegenläufigen Antriebs der Unwuchtmassen heben sich Unwuchtkraft-Komponenten, welche einen Richtungssinn besitzen, der in Richtung der Verbindungsgeraden der Drehpunkte der Unwuchtmassen orientiert sind, auf. Hingegen addieren sich die quer zu der zuvor genannten Richtung orientierten (im Folgenden ”Richtung der Resultierenden der Unwuchtkräfte”) Unwuchtkraft-Komponenten zu einer Resultierenden der Unwuchtkraft. Bei Antrieb der beiden Unwuchtmassen des Unwuchterregers mit konstanter Drehzahl ergibt sich ein hinsichtlich der Zeit harmonischer Verlauf der resultierenden Unwuchtkraft, die dann als Ausgangs- oder Prüfkraft des Aktuators genutzt werden kann. Bei Antrieb der Unwuchtmassen mit nicht konstanter Drehzahl können von einem harmonischen Verlauf abweichende Verläufe der resultierenden Trägheitskraft erzeugt werden. Die Amplitude der resultierenden Trägheitskraft des Unwuchterregers hängt quadratisch von der Winkelgeschwindigkeit der Unwuchtmassen, linear von der Masse der Unwuchtmassen sowie vom wirksamen Radius der Unwuchtmassen ab. Für eine vorgegebene, zu erzeugende Frequenz der resultierenden Trägheitskraft des Unwuchterregers kann die Amplitude der resultierenden Trägheitskraft nur verändert werden durch Veränderung der Masse der Unwuchtmassen, beispielsweise durch Ergänzung oder Beseitigung von Zusatzmassen und/oder eine Veränderung des wirksamen Radius der Unwuchtmassen. Beide vorgenannten Maßnahmen zur Veränderung der Unwuchtkraft des Unwuchterregers bedingen bauliche Veränderungen des Unwuchterregers oder erfordern aufwändige automatisierte Verstellmechanismen, beispielsweise für den wirksamen Radius der Unwuchtmassen. Stand der Technik zu Unwuchterregern mit zwei gegenläufig mit derselben Winkelgeschwindigkeit in synchronisierter Ausrichtung rotierenden Unwuchtmassen ist beispielsweise aus
Möglich ist, dass die Unwuchtmassen zwangssynchronisiert sind, was beispielsweise auf elektronische oder auf mechanische Weise erfolgen kann, beispielsweise über ein Zahnradgetriebe oder eine Kette, einen Zahnriemen oder ähnliches. Diese Zwangssynchronisierung muss sehr exakt erfolgen, weshalb beispielsweise aus
Aus dem Bereich der Resonanzprüftechnik sind Resonanzprüfmaschinen bekannt, bei denen, auch unter Einsatz eines Unwuchterregers, ein Schwingungssystem bei der oder einer Resonanzfrequenz desselben zu Schwingungen angeregt wird. Ein Einsatzbeispiel eines Schwingungsprüfungs-Aktuators mit einem Unwuchterreger in einer Resonanzprüfmaschine ist beispielsweise aus
Während üblicherweise die Rotationsachsen der beiden Unwuchtmassen in einem Unwuchterreger beabstandet voneinander parallel zueinander orientiert sind, offenbart
Andererseits betrifft die Erfindung Schwingungsprüfeinrichtungen, die in der IPC-Klasse G01M007 einklassifiziert sind, die Prüfstände mit Schwingungsanregung in einer Mehrzahl von Richtungen zur mehrdimensionalen Schwingungsprüfung von Bau- oder Maschinenteilen betrifft. Derartige Schwingungsprüfeinrichtungen dienen beispielsweise der Dauerfestigkeitsprüfung, Ermüdungsprüfung und Lebensdauerprüfung für einen Prüfling, wobei an der Schwingungsprüfeinrichtung in einem realen Betrieb des Prüflings auftretende Belastungen simuliert werden oder der Prüfling einem vorgegebenen Lastprogramm ausgesetzt wird.On the other hand, the invention relates to vibration testing apparatuses classified in the IPC class G01M007, which relates to vibration excitation test stands in a plurality of directions for multi-dimensional vibration testing of structural or machine parts. Such Schwingungsprüfeinrichtungen serve, for example, the fatigue test, fatigue test and life test for a test specimen, which occurring at the Schwingungsprüfeinrichtung in a real operation of the specimen occurring loads are simulated or the specimen is exposed to a predetermined load program.
Die nicht vorveröffentlichte Patentanmeldung
AUFGABE DER ERFINDUNGOBJECT OF THE INVENTION
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schwingungsprüfeinrichtung vorzuschlagen, welche hinsichtlich
- – der zu erzeugenden mechanischen Beaufschlagung eines Prüflings,
- – des Energieeinsatzes für den die Belastung des Prüflings erzeugenden Aktuator und/oder
- – hinsichtlich der Regelungsmöglichkeiten für die erzeugte Belastung des Prüflings
- The mechanical loading of a test object to be generated,
- The use of energy for the actuator generating the load on the device under test and / or
- - Regarding the control possibilities for the generated load of the test object
LÖSUNG SOLUTION
Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen dieser Lösung ergeben sich entsprechend den Merkmalen der abhängigen Patentansprüche 2 bis 19. Eine weitere Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist gegeben durch eine Verwendung einer Schwingungsprüfeinrichtung gemäß Patentanspruch 20.The object of the invention is achieved with the features of
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION OF THE INVENTION
Erfindungsgemäß ist die Schwingungsprüfeinrichtung mit einem Resonanzprüfaktuator ausgestattet. Hierunter wird ein Prüfaktuator verstanden, bei welchem eine Schwingungssystem mit einem Aktuator derart gekoppelt ist, dass das Schwingungssystem von diesem zu Schwingungen angeregt wird. Der Prüfaktuator ist dann in jeder möglichen Weise mit dem Prüfling derart gekoppelt, dass entsprechend dem Schwingungszustand des Schwingungssystems unmittelbar oder mittelbar die mechanische Beaufschlagung des Prüflings mit einer periodisch oszillierenden Belastung erfolgt. Die Resonanz des Schwingungssystems, für welche mit kleiner Anregung durch den Aktuator eine große Wirkung, nämlich eine große mechanische Beaufschlagung des Prüflings erzeugt werden kann, wird erfindungsgemäß mit dem eingesetzten Resonanzprüfaktuator ausgenutzt. Hierzu wird der Aktuator des Schwingungssystems zu Schwingungen mit einer Erregerfrequenz angeregt, die der Resonanzfrequenz des Schwingungssystems entspricht. Hierbei wird noch unter ”der Resonanzfrequenz entsprechender Erregerfrequenz” jede Erregerfrequenz verstanden, welche eine Resonanzüberhöhung des Schwingungssystems ausnutzt, insbesondere im Bereich einer Verstärkungsfunktion des Schwingungssystems mit einer Überhöhung größer als 2, 3, 5, 10 oder sogar mehr als 20, 50 oder 100. Somit führt die erfindungsgemäße Ausstattung der Schwingungsprüfeinrichtung mit einem Resonanzprüfaktuator zu einer besonders energieeffizienten Erzeugung der mechanischen Beaufschlagung des Prüflings.According to the vibration testing device is equipped with a Resonanzprüfaktuator. This is understood to mean a test actuator in which a vibration system is coupled to an actuator in such a way that the vibration system is excited by it to oscillate. The Prüfaktuator is then coupled in any way with the DUT such that takes place according to the vibration state of the vibration system directly or indirectly, the mechanical loading of the test specimen with a periodic oscillating load. The resonance of the vibration system, for which with small excitation by the actuator a large effect, namely a large mechanical loading of the test piece can be generated, is utilized according to the invention with the Resonanzprüfaktuator used. For this purpose, the actuator of the vibration system is excited to vibrations with an excitation frequency corresponding to the resonant frequency of the vibration system. In this case, "excitation frequency corresponding excitation frequency" is understood to mean any excitation frequency which utilizes an increase in resonance of the oscillation system, in particular in the region of an amplification function of the oscillation system with an increase greater than 2, 3, 5, 10 or even more than 20, 50 or 100. Thus, the inventive equipment of Schwingungsprüfeinrichtung with a Resonanzprüfaktuator leads to a particularly energy-efficient generation of mechanical loading of the test specimen.
Erfindungsgemäß findet aber in dem Resonanzprüfaktuator nicht ein beliebiger Aktuator wie beispielsweise ein elektromagnetischer Shaker, ein hydraulischer Pulser u. ä. Einsatz. Vielmehr ist ein erster Unwuchterreger mit zwei gegenläufig mit einer Drehgeschwindigkeit antreibbaren Unwuchtmassen eingesetzt, der eine erste resultierende Unwuchtkraft erzeugt. Zusätzlich ist, abweichend zu dem eingangs genannten Stand der Technik, ein zweiter Unwuchterreger eingesetzt, welcher über zwei weitere Unwuchtmassen verfügt, die gegenläufig mit derselben Drehgeschwindigkeit rotieren wie die Unwuchtmassen des ersten Unwuchterregers. Hierbei sind der erste Unwuchterreger und der zweite Unwuchterreger derart räumlich ausgerichtet, dass die erste resultierende Unwuchtkraft und die zweite resultierende Unwuchtkraft den selben Richtungssinn besitzen und insbesondere koaxial zueinander orientiert sind.According to the invention but not in the Resonanzprüfaktuator any actuator such as an electromagnetic shaker, a hydraulic pulser u. Ä. use. Rather, a first unbalance exciter is used with two unbalanced masses which can be driven in opposite directions at a rotational speed and which generates a first resulting imbalance force. In addition, deviating from the prior art mentioned above, a second unbalance exciter is used which has two further imbalance masses which rotate in opposite directions at the same rotational speed as the imbalance masses of the first imbalance exciter. Here, the first unbalance exciter and the second unbalance exciter are spatially aligned in such a way that the first resulting imbalance force and the second resulting imbalance force have the same sense of direction and in particular are oriented coaxially with one another.
Erfindungsgemäß ist darüber hinaus eine Steuereinrichtung vorhanden, über welche die relative Phasenlage der ersten resultierenden Unwuchtkraft gegenüber der zweiten resultierenden Unwuchtkraft vorgebbar und veränderbar ist. Hierbei können im Rahmen der vorliegenden Erfindung beide Unwuchterreger gleiche oder unterschiedliche Unwuchtmassen und/oder gleiche oder unterschiedliche Abstände der Unwuchtmassen von den Drehachsen besitzen.According to the invention, a control device is also provided, via which the relative phase position of the first resulting imbalance force relative to the second resulting imbalance force can be predetermined and changed. In the context of the present invention, both unbalance exciters may have the same or different imbalance masses and / or the same or different distances of the imbalance masses from the axes of rotation.
Wie eingangs erläutert, könnte bei Einsatz lediglich eines Unwuchterregers für eine vorgegebene Anregungsfrequenz eine Erregerkraftamplitude für das Schwingungsprüfsystem und das Schwingungssystem lediglich verändert werden durch Veränderung des Abstands der Unwuchtmassen von der Drehachse und/oder durch Veränderung der Unwuchtmassen, was einen konstruktiven Eingriff bzw. einen Umbau des Aktuators bzw. des Resonanzprüfaktuators erfordern würde. Hier schafft der erfindungsgemäße Einsatz von zwei Unwuchterregern verbesserte Steuerungs- oder Regelungsmöglichkeiten für Vorgabe der Erregerkraftamplitude. Dies soll anhand von zwei Extremüberlegungen erläutert werden: Gibt die Steuereinrichtung eine Phasenverschiebung von 180° zwischen den beiden resultierenden Unwuchtkräften der beiden Unwuchterreger vor, so heben sich diese (für gleiche Abstände der Unwuchtmassen von den Drehachsen und gleiche Unwuchtmassen) auf, so dass die Gesamt-Unwuchtkraft und damit die wirkende Erregerkraftamplitude trotz rotierender Unwuchterreger 0 ist. Beträgt hingegen die Phasenverschiebung der beiden resultierenden Unwuchtkräfte 0°, addieren sich die Beträge der beiden resultierenden Unwuchtkräfte zu einer von Null verschiedenen Gesamt-Unwuchtkraft, deren Betrag der Summe der Beträge der resultierenden Unwuchtkräfte der beiden Unwuchterreger entspricht und die in diesem Fall maximal ist. Für Phasenlagen zwischen den extremen Phasenlagen von 0° und 180° überlagern sich die beiden resultierenden Unwuchtkräfte vektoriell, so dass je nach Phasenlage die Erregerkraftamplitude zwischen Null und dem genannten Maximum der Gesamt-Unwuchtkraft vorgegeben werden kann. (Entsprechendes gilt für unterschiedliche Unwuchtmassen der beiden Unwuchterreger und/oder unterschiedliche Abstände der Unwuchtmassen von den Drehachsen: in diesem Fall kann die Erregerkraftamplitude innerhalb eines Bereichs zwischen einem Minimum der Gesamt-Unwuchtkraft ungleich Null, welches der Differenz der Beträge der beiden resultierenden Unwuchtkräfte entspricht, und einem Maximum der Gesamt-Unwuchtkraft, die der Summe der Beträge der beiden resultierenden Unwuchtkräfte entspricht, vorgegeben werden kann). Somit ermöglicht die erfindungsgemäße Ausgestaltung (bei energieeffizientem Einsatz eines Resonanzprüfaktuators) eine verbesserte Regelbarkeit für die mechanische Beaufschlagung des Prüflings.As explained above, when using only an unbalance exciter for a given excitation frequency an excitation force amplitude for the Schwingungsprüfsystem and the vibration system could only be changed by changing the distance of the imbalance masses from the axis of rotation and / or by changing the imbalance masses, which is a constructive intervention or a conversion of the actuator or Resonanzprüfaktuators would require. Here, the use according to the invention of two unbalance exciters provides improved control or regulation possibilities for specification of the exciter force amplitude. This will be explained on the basis of two extreme considerations: If the control device gives a phase shift of 180 ° between the two resulting imbalance forces of the two unbalance exciters, they cancel each other out (for equal distances of the imbalance masses from the axes of rotation and the same imbalance masses), so that the total Unbalance force and thus the effective excitation force amplitude despite rotating unbalance exciter 0. If, however, the phase shift of the two resulting imbalance forces 0 °, the amounts of the two resulting imbalance forces add up to a total non-zero total imbalance force whose amount corresponds to the sum of the amounts of the unbalanced forces of the two imbalance exciter and which is maximum in this case. For phase positions between the extreme phase positions of 0 ° and 180 °, the two resulting imbalance forces overlap vectorially, so that, depending on the phase position, the excitation force amplitude between zero and the maximum of the total imbalance force can be specified. (The same applies to different imbalance masses of the two imbalance exciter and / or different distances of the imbalance masses from the axes of rotation: in this case, the exciter force amplitude within a range between a minimum of the total imbalance force not equal to zero, which corresponds to the difference of the amounts of the two resulting imbalance forces, and a maximum of the total Unbalance force, which is the sum of the amounts of the two resulting unbalance forces, can be specified). Thus, the inventive design (with energy-efficient use of a Resonanzprüfaktuators) allows improved controllability for the mechanical loading of the test specimen.
Möglich ist darüber hinaus, dass durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung auch ein ”Hochlaufen” des Resonanzprüfaktuators verbessert werden kann. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung die relative Phasenlage der beiden Unwuchterreger während des Hochlaufens auf die Zielprüffrequenz für die Rotation der Unwuchtmassen so vorgeben, dass sich während des Hochlaufens eine Erregerkraftamplitude von Null ergibt. Ist die Zielfrequenz für die Unwuchterreger erreicht, muss dann lediglich die Phasenlage der beiden resultierenden Unwuchtkräfte so verändert werden, dass sich die gewünschte Erregerkraftamplitude ergibt. Dies erfolgt durch kurzzeitige geringfügige Veränderung der Drehzahlen des Antriebsaggregates für die beiden Unwuchterreger, so dass sich die Phasenlage verändert. Für eine derartige Ausgestaltung des ”Hochlaufens” kann das Auftreten von transienten unerwünschten Schwingungen und deren unbeabsichtigter Einfluss auf die Beaufschlagung des Prüflings reduziert werden.It is also possible that a "run-up" of the Resonanzprüfaktuators can be improved by the inventive design. For example, the control device can specify the relative phase angle of the two unbalance exciters during run-up to the target test frequency for the rotation of the imbalance masses such that an exciting force amplitude of zero results during run-up. If the target frequency for the unbalance exciter is reached, then only the phase position of the two resulting imbalance forces must be changed so that the desired exciter force amplitude results. This is done by short-term slight change in the speeds of the drive unit for the two unbalance exciter, so that the phase position changes. For such an embodiment of the "run-up", the occurrence of transient unwanted vibrations and their unintended influence on the loading of the test object can be reduced.
Möglich ist, dass die beiden Unwuchterreger eine gemeinsame Baueinheit bilden, welche somit mittels einer gemeinsamen Schnittstelle an das Schwingungssystem angekoppelt werden kann. Über diese Schnittstelle wird dann ausschließlich die Gesamt-Unwuchtkraft, die sich aus den beiden resultierenden Unwuchtkräfte ergibt, übergeben, während die resultierenden Unwuchtkräfte selber innere Kräfte in der Baueinheit bilden. Möglich ist auch, dass das Schwingungssystem in die Baueinheit integriert ist. In diesem Fall wird über eine Schnittstelle die Baueinheit mit der Schwingungsprüfeinrichtung oder dem Prüfling gekoppelt, wobei dann über die Schnittstelle die über das in Resonanz schwingende Schwingungssystem verstärkte Prüfkraft übergeben werden kann.It is possible that the two unbalance exciters form a common structural unit, which can thus be coupled by means of a common interface to the vibration system. Only the total imbalance force resulting from the two resulting imbalance forces is then transferred via this interface, while the resulting imbalance forces themselves form internal forces in the structural unit. It is also possible that the vibration system is integrated into the unit. In this case, the unit is coupled via an interface with the Schwingungsprüfeinrichtung or the DUT, in which case over the interface via the resonant vibrating vibration system amplified test force can be transferred.
In alternativer Ausgestaltung der Erfindung sind die beiden Unwuchterreger jeweils als singuläre Baueinheiten ausgebildet. Diese können dann über ein beliebig gestaltetes Kopplungselement miteinander koppelbar sein. Eine derartige Ausgestaltung ermöglicht den Einsatz der Unwuchterreger jeweils als singuläre Baueinheiten ohne gleichzeitigen Einsatz des anderen Unwuchterregers sowie auch den Einsatz von beiden Unwuchterregern gemeinsam mit den zuvor erläuterten Vorteilen der verbesserten Regelbarkeit der Erregerkraftamplitude der beiden Unwuchterreger.In an alternative embodiment of the invention, the two unbalance exciters are each formed as a single units. These can then be coupled to each other via an arbitrarily designed coupling element. Such a configuration allows the use of unbalance exciters each as a single units without simultaneous use of the other unbalance exciter and also the use of two unbalance exciters together with the previously explained advantages of improved controllability of the exciter force amplitude of the two unbalance exciters.
Für den Antrieb der Unwuchtmassen der beiden Unwuchterreger gibt es vielfältige Möglichkeiten. Um lediglich einige Beispiele zu nennen, sind die Unwuchtmassen des ersten Unwuchterregers von einem gemeinsamen ersten Antriebsaggregat antreibbar, während die Unwuchtmassen des zweiten Unwuchterregers von einem gemeinsamen zweiten Antriebsaggregat antreibbar sind. In diesem Fall kann dann eine gemeinsame Steuerung des ersten und des zweiten Antriebsaggregates durch eine Steuereinrichtung erfolgen, welche dann auch für die Vorgabe und Veränderung der relativen Phasenlage zwischen der ersten resultierenden Unwuchtkraft und der zweiten resultierenden Unwuchtkraft zuständig ist. In alternativer Ausgestaltung der Erfindung wird jede der vier Unwuchtmassen jeweils von einem Antriebsaggregat angetrieben, wobei in diesem Fall eine gemeinsame Steuereinrichtung die Antriebsaggregate der vier Unwuchtmassen ansteuert. Hierbei ist auch denkbar, dass die Antriebsaggregate selber über eine Teilsteuereinrichtung verfügen, wobei dann eine der Teilsteuereinrichtungen oder eine zusätzliche Steuereinrichtung für die Vorgabe und Veränderung der relativen Phasenlage der resultierenden Unwuchtkräfte zuständig sein kann. Die einzelnen genannten Steuereinrichtungen können auch miteinander vernetzt sein, insbesondere zwecks Synchronisierung und Vorgabe der Phasenlage.There are many possibilities for driving the imbalance masses of the two unbalance exciters. To name just a few examples, the imbalance masses of the first unbalance exciter are drivable by a common first drive unit, while the imbalance masses of the second imbalance exciter are driven by a common second drive unit. In this case, a common control of the first and the second drive unit can then take place by a control device, which is then responsible for the specification and change in the relative phase position between the first resulting unbalance force and the second resulting unbalance force. In an alternative embodiment of the invention, each of the four imbalance masses is driven in each case by a drive unit, in which case a common control device controls the drive units of the four imbalance masses. In this case, it is also conceivable that the drive units themselves have a sub-control device, in which case one of the sub-control devices or an additional control device can be responsible for specifying and changing the relative phase position of the resulting unbalance forces. The individual mentioned control devices can also be networked with each other, in particular for the purpose of synchronization and specification of the phase position.
Möglich ist, dass der mit den Unwuchterregern gebildete Aktuator in dem Arbeitsbereich üblicher anderer Aktuatoren arbeitet. Beispielsweise kann der Aktuator einen hydraulischen Pulser ersetzen, welcher beispielsweise in einem Frequenzbereich bis 60 Hz arbeitet. Während allerdings physikalisch oder angesichts des erforderlichen Bauaufwands der Frequenzbereich für Erregerfrequenzen anderer Aktuatoren begrenzt ist, hängt die machbare Erregerfrequenz für den erfindungsgemäß mit Unwuchterregern gebildeten Aktuator lediglich von den möglichen Antriebsdrehzahlen für die Unwuchtmassen ab, die je nach Ausgestaltung des eingesetzten Antriebsaggregates und unter Umständen eingesetzten Getrieben sowie der für die Lagerung der Unwuchtmassen eingesetzten Lageeinheiten nahezu unbegrenzt ist. Demgemäß schlägt die Erfindung vor, dass in besonderer Ausgestaltung der Erfindung die Antriebsdrehzahl der Unwuchtmassen mehr als 3000 U/min, insbesondere mehr als 8000 U/min, beträgt. Derartige hohe Antriebsdrehzahlen und hieraus resultierenden hohe Frequenzen können auch mit verhältnismäßig kleinem Bauraum für Antriebsaggregat, Aktuator, Resonanzprüfaktuator und letztendlich Schwingungsprüfeinrichtung gewährleistet werden.It is possible that the actuator formed with the imbalance exciters works in the workspace of other conventional actuators. For example, the actuator can replace a hydraulic pulser, which operates, for example, in a frequency range up to 60 Hz. However, while physically or in view of the required construction of the frequency range for excitation frequencies of other actuators is limited, the feasible excitation frequency depends on the invention formed with unbalance exciters only from the possible drive speeds for the imbalance masses, depending on the design of the drive unit used and possibly used transmissions and the positional units used for the storage of imbalance masses is almost unlimited. Accordingly, the invention proposes that in a particular embodiment of the invention, the drive speed of the imbalance masses is more than 3000 U / min, in particular more than 8000 U / min. Such high input speeds and resulting high frequencies can be ensured even with relatively small space for drive unit, actuator, Resonanzprüfaktuator and ultimately Schwingungsprüfeinrichtung.
Durchaus möglich ist, dass der Resonanzprüfaktuator über eine geeignete Schnittstelle mit dem Prüfling oder einer Abstützung des Prüflings gekoppelt ist. Für eine besonders kompakte Ausgestaltung der Schwingungsprüfeinrichtung ist der Prüfling selbst in das Schwingungssystem integriert, so dass insbesondere eine Masse und/oder eine Steifigkeit des Schwingungssystems von dem Prüfling selbst gebildet ist.It is quite possible that the Resonanzprüfaktuator is coupled via a suitable interface with the DUT or a support of the DUT. For a particularly compact Embodiment of the Schwingungsprüfeinrichtung the specimen itself is integrated into the vibration system, so that in particular a mass and / or rigidity of the vibration system is formed by the candidate itself.
Durchaus möglich ist, dass in der Schwingungsprüfeinrichtung lediglich ein Resonanzprüfaktuator eingesetzt ist mit einer einzigen periodisch oszillierenden Belastung, die durch diesen Resonanzprüfaktuator erzeugt wir. In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schwingungsprüfeinrichtung erfolgt allerdings keine eindimensionale oder einfache Belastung des Prüflings. Vielmehr findet erfindungsgemäß eine erste periodisch oszillierende Belastung sowie eine zweite periodisch oszillierende Belastung zur Beaufschlagung des Prüflings Einsatz. Die zweite periodisch oszillierende Belastung ist der ersten periodisch oszillierenden Belastung überlagert, wobei die beiden Belastungen unterschiedliche Wirkungen besitzen. Bei den Belastungen mit unterschiedlichen Wirkungen kann es sich beispielsweise um Kräfte handeln, die aber unterschiedliche Richtungssinne besitzen. Ebenfalls möglich ist, dass es sich bei den Belastungen um Momente mit unterschiedlichen Wirkachsen, beispielsweise ein Torsionsmoment und/oder ein Biegemoment, handelt. Ebenfalls denkbar ist, dass eine Belastung eine beliebige Kraft und die andere Belastung ein beliebiges Moment ist. Vorzugsweise besteht die unterschiedliche Wirkung in der Erzeugung unterschiedlicher Spannungszustände in dem Prüfling, beispielsweise in einer Schubspannung einerseits und einer Normalspannung andererseits, wobei aber auch die Überlagerung von gleichartigen Spannungen unterschiedlicher Richtungen möglich ist.It is entirely possible that in the Schwingungsprüfeinrichtung only one Resonanzprüfaktuator is used with a single periodic oscillating load that we generated by this Resonanzprüfaktuator. In a further development of the vibration testing device according to the invention, however, there is no one-dimensional or simple loading of the test object. Rather, according to the invention, a first periodically oscillating load and a second periodically oscillating load are used to load the test piece. The second periodically oscillating load is superimposed on the first periodically oscillating load, the two loads having different effects. For example, the loads with different effects can be forces that have different directions. It is also possible that the loads are moments with different axes of action, for example a torsional moment and / or a bending moment. It is also conceivable that one load is an arbitrary force and the other load is an arbitrary moment. Preferably, the different effect in the generation of different stress states in the specimen, for example in a shear stress on the one hand and a normal stress on the other hand, but also the superposition of similar voltages of different directions is possible.
Erfindungsgemäß wird die erste periodisch oszillierende Belastung über einen ersten Resonanzprüfaktuator erzeugt. Dieser weist ein erstes Schwingungsteilsystem auf, welches eine erste Resonanzfrequenz besitzt und über einen erste Aktuator, der mit zwei Unwuchterregern gebildet ist, zu Schwingungen bei der ersten Resonanzfrequenz angeregt wird. Entsprechend ist ein zweiter Resonanzprüfaktuator mit einem zweiten Schwingungsteilsystem gebildet, welches über einen zweiten Aktuator mit zwei Unwuchterregern zu Resonanzschwingungen angeregt wird. Die erfindungsgemäße Nutzung von zwei Resonanzprüfaktuatoren hat zur Folge, dass in Folge der Ausnutzung der Resonanzüberhöhungen der Übertragungsfunktionen der beiden Schwingungsteilsysteme mit minimalem Energieeintrag, also minimaler von den Aktuatoren aufzubringenden Energien, große Schwingungsamplituden, also auch große Belastungen, erzeugt werden können. Die Ausnutzung der Resonanz führt somit zu einer Art Verstärkung und Erhöhung des Wirkungsgrads der Schwingungsprüfeinrichtung.According to the invention, the first periodically oscillating load is generated via a first resonance test actuator. This has a first vibration subsystem, which has a first resonance frequency and is excited via a first actuator, which is formed with two unbalance exciters, to oscillations at the first resonant frequency. Accordingly, a second Resonanzprüfaktuator is formed with a second vibration subsystem, which is excited via a second actuator with two unbalance exciters to resonant vibrations. The use of two Resonanzprüfaktuatoren invention has the consequence that as a result of exploiting the resonance peaks of the transfer functions of the two vibration subsystems with minimal energy input, so minimal applied by the actuators energies, large vibration amplitudes, including large loads can be generated. The utilization of the resonance thus leads to a kind of reinforcement and increase the efficiency of the Schwingungsprüfeinrichtung.
Für die eingangs erläuterten Schwingungsprüfeinrichtungen gemäß dem Stand der Technik sind Schwingungssysteme mit dem Tisch und Federn gebildet, während der Prüfling starr mit dem Tisch gekoppelt ist und lediglich den Vibrationen des Tisches ausgesetzt wird, so dass die Belastung des Prüflings darin besteht, dass der Prüfling dem Bewegungsprofil des Tisches folgen muss. Innere Kraftgrößen des mit dem Tisch gebildeten Schwingungssystems, also beispielsweise eine Kraft in einer den Tisch abstützenden Feder, beaufschlagen den Prüfling nicht. Andererseits erfordert die Resonanzanregung einer derartigen Schwingungsprüfeinrichtung mit schwingendem Tisch, dass die verhältnismäßig große Masse des Tischs, die in diesem Fall Bestandteil des Schwingungssystems ist, von dem Aktuator bewegt werden muss. Die vorliegende Erfindung geht hier einen anderen Weg: Durchaus möglich ist, dass auch erfindungsgemäß der Prüfling an einer Art schwingendem Tisch oder einer schwingenden Masse abgestützt ist. Allerdings sind erfindungsgemäß ergänzend zum Tisch oder zu der Abstützung das erste Schwingungsteilsystem und das zweite Schwingungsteilsystem vorgesehen, in denen die (verallgemeinerte) Masse oder eine gemeinsame (verallgemeinerte) Masse Relativschwingungen zu dem Tisch oder der Abstützung ausführen kann. In diesen Schwingungsteilsystemen kann dann die Dimensionierung und Schwingungsanregung grundsätzlich unabhängig von den mechanischen Eigenschaften des Tischs selbst und dessen Abstützung gegenüber der Umgebung erfolgen, wobei natürlich eine gewisse Wechselwirkung der Bewegung des Tisches oder der Abstützung mit der Bewegung der Schwingungssysteme vorhanden sein kann, wenn der Tisch oder die Abstützung einer Schwingerkette bilden, in welcher der Tisch oder die Abstützung über Federelemente an die Umgebung angekoppelt ist und wiederum der Prüfling und die Schwingungssysteme an den Tisch oder die Abstützung angekoppelt sind.For the above-described Schwingungsprüfeinrichtungen according to the prior art vibration systems are formed with the table and springs, while the specimen is rigidly coupled to the table and is only exposed to the vibrations of the table, so that the load of the specimen is that the specimen Movement profile of the table must follow. Internal forces of the vibration system formed with the table, so for example a force in a spring supporting the table, do not act on the test specimen. On the other hand, the resonant excitation of such a vibrating table vibrator requires that the relatively large mass of the table, which in this case is part of the vibratory system, be moved by the actuator. The present invention is based on a different approach: It is entirely possible that, according to the invention, the test specimen is also supported on a kind of oscillating table or an oscillating mass. However, according to the invention, in addition to the table or the support, the first vibration subsystem and the second vibration subsystem are provided, in which the (generalized) mass or a common (generalized) mass can perform relative oscillations to the table or support. In these vibration subsystems, the dimensioning and vibration excitation can then basically be independent of the mechanical properties of the table itself and its support to the environment, whereby, of course, some interaction of the movement of the table or the support with the movement of the vibration systems may be present when the table or form the support of a vibrating chain, in which the table or the support is coupled via spring elements to the environment and in turn the specimen and the vibration systems are coupled to the table or the support.
Durchaus möglich ist, dass die Resonanzfrequenzen und damit auch die Anregungsfrequenzen der Aktuatoren unterschiedlich ist, was zur Folge hat, dass die mit den Resonanzprüfaktuatoren erzeugten Belastungen unterschiedliche Frequenzen besitzen. Beispielsweise können infolge der unterschiedlichen Anregungsfrequenzen Maxima der beiden Resonanzprüfaktuatoren zu einem Zeitpunkt gleichzeitig auftreten, während diese zu anderen Zeitpunkten unterschiedliche zeitliche Abstände voneinander besitzen können oder ein Maximum eines Resonanzprüfaktuators mit einem Minimum des anderen Resonanzprüfaktuators zusammentreffen können.It is entirely possible that the resonance frequencies and thus also the excitation frequencies of the actuators are different, which has the consequence that the loads generated with the Resonanzprüfaktuatoren have different frequencies. For example, due to the different excitation frequencies, maxima of the two Resonanzprüfaktuatoren occur simultaneously at a time, while they may have different time intervals from each other at different times or a maximum of Resonanzprüfaktuators can coincide with a minimum of the other Resonanzprüfaktuators.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung nutzt die Erkenntnis, dass es nicht immer vorteilhaft ist, wenn die Resonanzfrequenzen der beiden Schwingungsteilsysteme unterschiedlich sind, so dass für die Resonanzanregung der beiden Schwingungsteilsysteme die Aktuatoren bei unterschiedlichen Erregerfrequenzen arbeiten müssten. Grund hierfür ist, dass für die unterschiedlichen Erregerfrequenzen die Systemantworten zu einer ständig wechselnden Überlagerung der beiden Belastungen führen würden, beispielsweise in der Art einer ”Schwebung”, so dass keine definierten Prüfbedingungen vorliegen. Auf Grundlage dieser Erkenntnis schlägt die Erfindung vor, die beiden Schwingungssysteme derart auszulegen und zu gestalten oder abzustimmen, dass die Resonanzfrequenzen der beiden Schwingungsteilsysteme (ungefähr) übereinstimmen. Bei Betrieb beider Schwingungsteilsysteme mit derselben Erregerfrequenz und in Resonanz sind die Belastungen des Prüflings sehr unterschiedlich je nach Phasenlage der beiden Schwingungen der Schwingungssysteme, die durch eine Steuereinrichtung durch geeignete Vorgabe der Phasenlage der resultierenden Unwuchtkräfte der beiden Unwuchterreger zueinander gesteuert oder geregelt werden kann. Treten die Maxima der beiden Schwingungsteilsysteme gleichzeitig auf, führt dies zu einer höheren Belastung als wenn ein Schwingungsteilsystem den Zustand der maximalen Belastung durch dieses erreicht, während das andere Schwingungsteilsystem gerade einen Zustand erreicht hat, in welchem die durch dieses hervorgerufene Belastung einen Nulldurchgang hat. Dieser Erkenntnis wird erfindungsgemäß dadurch Sorge getragen, dass eine Steuereinrichtung, die auch in zwei miteinander gekoppelten Steuereinheiten bestehen kann, den ersten Aktuator sowie den zweiten Aktuator ansteuert. Die Ansteuerung erfolgt mit gleichen Erregerfrequenzen, die der ersten und zweiten Resonanzfrequenz entsprechen, wobei, wie bereits oben erläutert, auch geringfügige Abweichungen der Erregerfrequenz von den Resonanzfrequenzen möglich sind, sofern die Resonanzüberhöhung für die beiden Schwingungsteilsysteme ausgenutzt wird. Weiterhin erfolgt die Ansteuerung durch die Steuereinrichtung derart, dass die Anregung durch die beiden Aktuatoren mit zueinander korrelierter vorgegebener Phasenlage erfolgt. Um hier lediglich einige Beispiele zu nennen, kann die Phasenverschiebung zwischen der Anregung durch die beiden Aktuatoren 0° oder 90° oder 180° betragen oder einen beliebigen anderen Winkel zwischen 0° und 180°. Möglich ist, dass für eine Prüfung auch unterschiedliche zueinander korrelierte Phasenlagen für einen definierten Prüfzeitraum vorgegeben werden oder eine Art ”Sweep” der Phasenlage erfolgt.Another embodiment of the invention uses the knowledge that it is not always advantageous if the resonance frequencies of the two vibration subsystems are different, so that for the resonance excitation of the two vibration subsystems, the actuators would have to work at different exciter frequencies. The reason for this is that for the different excitation frequencies the system responses would lead to a constantly changing superposition of the two loads, for example in the manner of a "beat", so that there are no defined test conditions. On the basis of this knowledge, the invention proposes to design and design the two vibration systems such that the resonance frequencies of the two vibration subsystems coincide (approximately). When operating both vibration subsystems with the same excitation frequency and in resonance, the loads of the specimen are very different depending on the phase position of the two oscillations of the vibration systems, which can be controlled or controlled by a control device by appropriate specification of the phase position of the resulting imbalance forces of the two imbalance exciter. If the maxima of the two vibration subsystems occur simultaneously, this leads to a higher load than if one vibration subsystem reaches the state of maximum load thereat while the other vibration subsystem has just reached a state in which the load caused by it has a zero crossing. According to the invention, this finding is ensured by the fact that a control device, which may also consist of two control units coupled to one another, actuates the first actuator and the second actuator. The control is carried out with the same exciter frequencies corresponding to the first and second resonant frequency, wherein, as already explained above, even slight deviations of the excitation frequency of the resonance frequencies are possible, provided that the resonance peak for the two vibration subsystems is utilized. Furthermore, the control is carried out by the control device such that the excitation is carried out by the two actuators with each other correlated predetermined phase position. To mention just a few examples here, the phase shift between the excitation by the two actuators can be 0 ° or 90 ° or 180 ° or any other angle between 0 ° and 180 °. It is possible that for a test, different phase relationships correlated to each other are given for a defined test period or a kind of "sweep" of the phase position is performed.
Möglich ist, dass für diese Ausführungsform die Resonanzfrequenzen der Schwingungsteilsysteme exakt identisch sind. In der Praxis werden diese jedoch nicht immer exakt übereinstimmen, so dass anspruchsgemäß ”ungefähr” gleiche Resonanzfrequenzen beansprucht sind und beansprucht ist, dass die Erregerfrequenz Ω ”ungefähr” den Resonanzfrequenzen entspricht. Hiermit sollen auch Abweichungen der Frequenzen erfasst werden, die dennoch eine Resonanzüberhöhung der Schwingungsteilsysteme ausnutzen. Beispielsweise kann es sich hierbei um eine Abweichung der Erregerfrequenz von mindestens einer Resonanzfrequenz und/oder der Resonanzfrequenzen um plus/minus 10%, insbesondere plus/minus 5% oder plus/minus 2% handeln. Ebenfalls möglich ist, dass als Erregerfrequenz eine Frequenz genutzt wird, bei welcher die Übertragungsfunktionen der Schwingungsteilsysteme jeweils 80%, 90% oder 95% des Maximums bei den Resonanzfrequenzen nicht unterschreiten.It is possible that for this embodiment, the resonance frequencies of the vibration subsystems are exactly identical. In practice, however, these will not always coincide exactly, so that claimed "approximately" equal resonance frequencies are claimed and claimed that the excitation frequency Ω "approximately" corresponds to the resonance frequencies. Hereby also deviations of the frequencies are to be detected, which still exploit an increase in resonance of the vibration subsystems. By way of example, this may be a deviation of the excitation frequency from at least one resonance frequency and / or the resonance frequencies by plus / minus 10%, in particular plus / minus 5% or plus / minus 2%. It is also possible that a frequency is used as the excitation frequency at which the transfer functions of the vibration subsystems do not fall below 80%, 90% or 95% of the maximum at the resonance frequencies.
Grundsätzlich denkbar ist, dass, insbesondere bei bekannten mechanischen Eigenschaften des Prüflings, bspw. den unterschiedlichen relevanten Steifigkeiten und der Masse und Masseverteilung des Prüflings, eine konstruktive Gestaltung der Schwingungsprüfeinrichtung mit den Schwingungsteilsystemen derart erfolgt, dass die Resonanzfrequenzen der Schwingungsteilsysteme hinreichend übereinstimmen. Sind aber die mechanischen Eigenschaften des Prüflings a priori nicht bekannt oder sollen unterschiedliche Prüflinge mit der Schwingungsprüfeinrichtung untersucht werden, schlägt die Erfindung vor, dass (mindestens) eine Einstelleinrichtung vorgesehen ist, über welche die Resonanzfrequenz zumindest eines Schwingungsteilsystems einstellbar ist. Möglich ist, dass eine Verstellung der Resonanzfrequenz erfolgt über die Veränderung einer in dem Schwingungsteilsystem wirksamen Steifigkeit, wobei beispielsweise zusätzlich versteifende Elemente in dem Schwingungsteilsystem eingesetzt werden können, welche somit in Parallelschaltung oder Reihenschaltung zu dem Prüfling in den Kraftfluss in das Schwingungsteilsystem eingeschaltet sind. Vorzugsweise erfolgt aber eine Beeinflussung der Resonanzfrequenz des Schwingungsteilsystems über eine Veränderung der schwingenden Masse. Möglich ist hierbei, dass eine Masse erhöht oder verringert wird, indem beispielweise die Einstelleinrichtung das Anschrauben von Zusatzmassen ermöglicht. Ebenfalls möglich ist, dass die Einstelleinrichtung die Lage oder den Ort einer Masse verändert, wodurch eine Massenverteilung des Schwingungsteilsystems verändert wird mit hierdurch herbeigeführter Veränderung eines Massen- oder Flächenträgheitsmoments o. ä. Möglich ist, dass über die Einstelleinrichtung eine Masse oder Steifigkeit in Stufen veränderbar ist, wie dies für das Anschrauben von Zusatzmassen oder einer Zusatzsteifigkeit der Fall ist. Eine besonders gute Einstellmöglichkeit ergibt sich, wenn die Einstelleinrichtung stufenlos die Veränderung eines Orts einer Masse, beispielsweise den Abstand einer oszillierenden Masse von einer Bewegungsachse ermöglicht, wobei eine feinfühlige Einstellung über eine geeignete Einstelleinrichtung wie einen Spindeltrieb o. ä. ermöglicht sein kann.In principle, it is conceivable that, in particular with known mechanical properties of the test object, for example the different relevant stiffnesses and the mass and mass distribution of the test object, a structural design of the vibration test device with the vibration subsystems takes place in such a way that the resonance frequencies of the vibration subsystems sufficiently match. However, if the mechanical properties of the test specimen are not known a priori or if different test specimens are to be examined with the oscillation testing device, the invention proposes that (at least) an adjusting device be provided, via which the resonant frequency of at least one oscillation subsystem can be set. It is possible that an adjustment of the resonance frequency takes place via the change in an effective in the vibration subsystem stiffness, for example, additional stiffening elements can be used in the vibration subsystem, which are thus turned on in parallel or series connection to the DUT in the power flow into the vibration subsystem. Preferably, however, an influencing of the resonant frequency of the vibration subsystem via a change in the oscillating mass. It is possible here that a mass is increased or decreased by, for example, the adjustment allows the screwing of additional masses. It is also possible that the adjustment changed the position or location of a mass, whereby a mass distribution of the vibration subsystem is changed with this brought about a change in mass or moment of inertia o. Ä. It is possible that via the adjustment a mass or rigidity in stages changeable is, as is the case for the attachment of additional mass or an additional stiffness. A particularly good adjustment is obtained when the adjustment infinitely allows the change of a location of a mass, such as the distance of an oscillating mass from a movement axis, with a sensitive adjustment via a suitable adjustment such as a spindle drive o.
Durchaus möglich ist, dass die beiden Schwingungsteilsysteme ”zusätzlich” zu dem Prüfling ausgebildet sind und an den Prüfling angekoppelt sind, insbesondere über ein Federelement der Schwingungsteilsysteme, welches dann die Belastung an den Prüfling überträgt. Für eine besondere erfindungsgemäße Ausgestaltung verläuft der Kraftfluss allerdings in dem ersten Schwingungsteilsystem und/oder dem zweiten Schwingungsteilsystem über den Prüfling. Damit wird der Prüfling Bestandteil des ersten und/oder zweiten Schwingungsteilsystems. Dies hat zur Folge, dass schwingende innere Kraftgrößen der Schwingungsteilsysteme die Belastung des Prüflings bilden. Andererseits hat diese Ausgestaltung zur Folge, dass die Steifigkeit des ersten Schwingungsteilsystems und des zweiten Schwingungsteilsystems von dem Prüfling abhängig ist. Hierbei kann es sich um eine beliebige Abhängigkeit handeln – beispielsweise kann die Steifigkeit der Schwingungsteilsysteme von einer Längssteifigkeit, Quersteifigkeit, Biegesteifigkeit und/oder Torsionssteifigkeit des Prüflings abhängig sein. It is entirely possible that the two vibration subsystems are "additionally" formed to the DUT and are coupled to the DUT, in particular via a spring element of the vibration subsystems, which then transmits the load to the DUT. For a particular embodiment according to the invention, however, the power flow in the first vibration subsystem and / or the second vibration subsystem extends over the test specimen. Thus, the specimen is part of the first and / or second vibration subsystem. As a result, oscillating internal force quantities of the vibration subsystems form the load of the test object. On the other hand, this configuration has the consequence that the rigidity of the first vibration subsystem and the second vibration subsystem is dependent on the DUT. This may be an arbitrary dependency - for example, the stiffness of the vibration subsystems of a longitudinal stiffness, transverse stiffness, bending stiffness and / or torsional stiffness of the specimen dependent.
Die Schwingungsteilsysteme können beliebig ausgebildet sein, beispielsweise als Linearschwinger, Biegeschwinger, Torsionsschwinger oder Umlaufbiegeschwinger mit einer beliebigen Zahl von Freiheitsgraden. In besonderer Ausgestaltung der Erfindung ist das erste Schwingungsteilsystem als ein Torsions-Schwingungssystem ausgebildet, bei welchem beispielsweise der Prüfling in Richtung seiner Längsachse als eine Art Torsionsfeder beaufschlagt wird. Hingegen ist für diese besondere Ausgestaltungsform das zweite Schwingungsteilsystem als ein Biege-Schwingungssystem ausgebildet, bei welchem der Prüfling quer zu seiner Längsachse auf Biegung beaufschlagt sein kann. Für eine derartige Ausgestaltung kommt in dem Prüfling somit die durch die Torsion hervorgerufene Torsionsspannung und Schubspannung, welche radial nach außen ausgehend von der Längsachse größer wird, zur Überlagerung mit einer Normalspannung, welche quer zur Längsachse und quer zur Biegeachse ausgehend von einer neutralen Faser des Prüflings nach außen zunimmt. Durch geeignete Steuerung der Phasenlage der Anregung der beiden Schwingungsteilsysteme kann die Vorgabe der zeitlichen Überlagerung der genannten Belastungen über die Steuereinrichtung vorgegeben werden. Durchaus möglich ist hierbei, dass ein einziges Bauteil sowohl die Torsionsschwingungen um eine erste Achse ausführende oszillierende Masse des Torsions-Schwingungssystems bildet als auch die Biegeschwingungen um eine zweite Achse ausführende Masse des Biege-Schwingungssystems bildet.The vibration subsystems may be of any desired design, for example as linear oscillators, flexural vibrators, torsional oscillators or rotary bending oscillators with an arbitrary number of degrees of freedom. In a particular embodiment of the invention, the first vibration subsystem is designed as a torsional vibration system in which, for example, the specimen is acted upon in the direction of its longitudinal axis as a kind of torsion spring. By contrast, for this particular embodiment, the second vibration subsystem is designed as a bending vibration system in which the specimen can be subjected to bending transverse to its longitudinal axis. For such a configuration, the torsion stress and shear stress caused by the torsion, which becomes larger radially outward from the longitudinal axis, thus comes to overlap with a normal stress, which is transverse to the longitudinal axis and transverse to the bending axis, starting from a neutral fiber of the test specimen increases to the outside. By suitable control of the phase position of the excitation of the two vibration subsystems, the specification of the temporal superposition of said loads can be specified via the control device. Quite possible in this case is that a single component forms both the torsional oscillations about an oscillating mass of the torsional vibration system that is executing about a first axis and also forms the bending vibrations about a second axis of the bending vibration system.
In weiterer Ausgestaltung dieses Lösungsgedankens ist das Torsions-Schwingungssystem mit zwei Massen, beispielsweise zwei Torsionsscheiben gebildet, welche Oszillationsschwingungen ausführen. In dem Torsions-Schwingungssystem sind diese beiden Massen oder Scheiben über den auf Torsion beanspruchten Prüfling miteinander gekoppelt. Für derartige Ausgestaltung kann beispielsweise eine Einstellung der Resonanzfrequenz des Torsions-Schwingungssystems erfolgen, indem mindestens eine oszillierend rotierende Masse verändert wird, indem eine Zusatzmasse angekoppelt wird oder der Abstand einer Teilmasse von der Torsionsachse an der Masse geändert wird. Zur Bildung des Biege-Schwingungssystems wirkt zwischen den beiden Rotationsschwingungen um die Torsionsachse ausführenden Massen oder Torsionsscheiben abseits einer Längsachse oder der Torsionsachse des Prüflings ein Aktuator, welcher als Belastung eine Kraft erzeugt, die parallel zu einer Längsachse oder Torsionsachse des Prüflings orientiert ist und ein Biegemoment auf den Prüfling aufbringt. Damit können die Massen auch den Hebelarm für die Erzeugung des Biegemoments zur Verfügung stellen, so dass diese multifunktional ausgebildet sind, wodurch sich eine kompakte Schwingungsprüfeinrichtung ergibt. Es versteht sich, dass die Massen des Torsions-Schwingungssystems abweichend zu den genannten scheibenförmigen Körpern eine beliebige Geometrie besitzen können, beispielsweise in Form eines Balkens oder mit sich kreuzenden Streben. Über Zusatzmassen an den Streben kann dann einerseits die Beeinflussung der Resonanzfrequenz des Torsions-Schwingungssystems und andererseits des Biege-Schwingungssystems erfolgen.In a further refinement of this solution, the torsional vibration system is formed with two masses, for example two torsion discs, which perform oscillation oscillations. In the torsional vibration system, these two masses or disks are coupled together via the torsionally stressed test specimen. For such a configuration, for example, an adjustment of the resonant frequency of the torsional vibration system can be carried out by at least one oscillating rotating mass is changed by an additional mass is coupled or the distance of a partial mass of the torsion axis is changed to the mass. To form the bending vibration system acts between the two rotational vibrations about the torsion axis exporting masses or torsion disks away from a longitudinal axis or the torsion axis of the specimen, an actuator which generates a load as a force which is oriented parallel to a longitudinal axis or torsion axis of the specimen and a bending moment on the test specimen applies. Thus, the masses can also provide the lever arm for the generation of the bending moment available, so that they are multifunctional, resulting in a compact Schwingungsprüfeinrichtung. It is understood that the masses of the torsional vibration system can deviate from the disc-shaped bodies have any geometry, for example in the form of a bar or with crossing struts. About additional masses on the struts can then be done on the one hand to influence the resonant frequency of the torsional vibration system and on the other hand, the bending-vibration system.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung sind die Schwingungsteilsysteme nicht als Torsions-Schwingungssystem sowie Biege-Schwingungssystem ausgebildet. Vielmehr sind mit dieser Ausgestaltung die beiden Schwingungsteilsysteme jeweils als Schwingungsteilsysteme mit translatorischem Freiheitsgrad ausgebildet mit Schwingungsachsen, die zueinander versetzt sind oder um einen Winkel α zueinander geneigt sind. Für diese Ausgestaltung der Schwingungsprüfeinrichtung kommen vorzugsweise in dem Prüfling zueinander geneigte oder versetzte translatorisch oszillierende Kräfte und/oder hierdurch erzeugte Biegemomente zur Überlagerung, was für einige Prüflinge den tatsächlichen Belastungen im Betrieb sehr nahe kommen können.In a further possible embodiment of the invention, the vibration subsystems are not designed as a torsional vibration system and bending vibration system. Rather, with this embodiment, the two vibration subsystems are each formed as a vibration subsystems with translational degree of freedom with vibration axes which are offset from one another or are inclined at an angle α to each other. For this embodiment of the Schwingungsprüfeinrichtung preferably come in the sample to each other inclined or offset translational oscillating forces and / or bending moments generated thereby for superimposition, which may come very close to the actual loads during operation for some candidates.
Die Einsatzmöglichkeiten einer derartigen Schwingungsprüfeinrichtung können erweitert werden, wenn der Neigungswinkel der Schwingungsachsen veränderbar ist, so dass die Schwingungsachsen entsprechend den Belastungen im realen Betrieb des Prüflings angepasst werden können.The possible applications of such a vibration testing device can be expanded if the angle of inclination of the vibration axes can be changed, so that the vibration axes can be adjusted in accordance with the loads in real operation of the test object.
Für eine besondere erfindungsgemäße Lösung findet eine Schwingungsprüfeinrichtung der zuvor erläuterten Art Einsatz für die Prüfung von Kurbelwellen, Kurbelwellenlagern oder Kurbelwellengehäusen eines Fahrzeugs. Eine Prüfung derartiger Prüflinge ist bis zur vorliegenden Erfindung vorrangig erfolgt durch Resonanz-Schwingungsteilsysteme, in welchen der Prüfling ausschließlich einer Belastung ausgesetzt wurde. So wurden Kurbelwellen beispielsweise in einem Torsions-Schwingungssystem geprüft, in welchem die Kurbelwelle als kontinuierliche Torsionsfeder zwischen zwei relativ zueinander zu Torsionsschwingungen angeregte scheibenförmige Massen oder Balken zwischengeschaltet war. Alternativ erfolgte eine Prüfung von Kurbelwellen, indem die Kurbelwelle endseitig mit quer zur Längsachse der Kurbelwelle orientierten Querbalken gekoppelt wurde. Zwischen den Querbalken hat gemäß diesem Stand der Technik ein elektromagnetischer Aktuator eine parallel zur Längsachse der Kurbelwelle orientierte oszillierende Kraft erzeugt, die ein oszillierendes Biegemoment in der Kurbelwelle erzeugt hat. Ebenfalls eingesetzt wurde die zweiachsige Prüfung mittels geeigneter Hydraulikaktuatoren. Die Erfindung hat erkannt, dass es für eine realitätsnahe Prüfung von Kurbelwellen nicht ausreichend ist, in der Schwingungsprüfeinrichtung ”irgendwie” eine Überlagerung eines Biegemoments sowie eines Torsionsmoments vorzunehmen. Vielmehr besitzt eine Kurbelwelle infolge des mäanderförmigen Verlaufs derselben ein für die Biegesteifigkeit und Biegebelastung relevantes Flächenträgheitsmoment, welches sich je nach Winkelstellung der Kurbelwelle um die Torsions- oder Rotationsachse stark ändert. Für eine realitätsnahe Prüfung der Kurbelwelle ist es somit wünschenswert, das maximale Biegemoment für eine Winkelstellung der Kurbelwelle in diese einzuleiten, welche der Winkelstellung entspricht, für welche im realen Betrieb der Kurbelwelle eine maximale Kraft von dem Pleuel auf die Kurbelwelle ausgeübt wird. Dies kann durch die erfindungsgemäße Steuerung der Phasenlage der Erregung der Schwingungsteilsysteme erfolgen. Das Vorgenannte gilt nicht nur für die Prüfung der Kurbelwelle selbst – entsprechendes gilt auch für die Prüfung der Kurbelwellenlager oder eine Prüfung eines Kurbelwellengehäuses oder von die Kurbelwellenlager abstützenden Gehäuseelementen.For a particular inventive solution finds a Schwingungsprüfeinrichtung the type described above use for the examination of crankshafts, crankshaft bearings or Crankshaft housings of a vehicle. Examination of such specimens is prior to the present invention primarily carried out by resonant vibration subsystems in which the specimen was subjected exclusively to a load. For example, crankshafts were tested in a torsional vibration system in which the crankshaft was interposed as a continuous torsion spring between two disc-shaped masses or beams excited relative to each other to torsional vibrations. Alternatively, an examination of crankshafts was carried out by coupling the crankshaft at its end with transverse bars oriented transversely to the longitudinal axis of the crankshaft. Between the transverse beams, according to this prior art, an electromagnetic actuator has generated an oscillating force oriented parallel to the longitudinal axis of the crankshaft, which has generated an oscillating bending moment in the crankshaft. Also used was the biaxial test by means of suitable hydraulic actuators. The invention has recognized that it is not sufficient for a realistic test of crankshafts to perform in the vibration tester "somehow" an overlay of a bending moment and a torsional moment. Rather, as a result of the meandering course of the crankshaft, it has a moment of inertia of area which is relevant for the flexural rigidity and bending load and which changes greatly depending on the angular position of the crankshaft about the torsional or rotational axis. For a realistic test of the crankshaft, it is thus desirable to introduce the maximum bending moment for an angular position of the crankshaft in this, which corresponds to the angular position for which in real operation of the crankshaft, a maximum force is exerted by the connecting rod on the crankshaft. This can be done by the inventive control of the phase position of the excitation of the vibration subsystems. The above applies not only to the testing of the crankshaft itself - the same applies to the testing of crankshaft bearings or a test of a crankshaft housing or by the crankshaft bearings supporting housing elements.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.Advantageous developments of the invention will become apparent from the claims, the description and the drawings. The advantages of features and of combinations of several features mentioned in the introduction to the description are merely exemplary and can come into effect alternatively or cumulatively, without the advantages having to be achieved by embodiments according to the invention. Further features are the drawings - in particular the illustrated geometries and the relative dimensions of several components to each other and their relative arrangement and operative connection - refer. The combination of features of different embodiments of the invention or of features of different claims is also possible deviating from the chosen relationships of the claims and is hereby stimulated. This also applies to those features which are shown in separate drawings or are mentioned in their description. These features can also be combined with features of different claims. Likewise, in the claims listed features for further embodiments of the invention can be omitted.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGURENBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.In the following the invention will be further explained and described with reference to preferred embodiments shown in the figures.
FIGURENBESCHREIBUNGDESCRIPTION OF THE FIGURES
Für das Ausführungsbeispiel gemäß
Gemäß
Die Aktuatoren
Über die Steuereinrichtung
Mit den Gesamt-Unwuchtkräften
Möglich ist, dass das Federelement
In den Ausführungsbeispielen gemäß
Für das Ausführungsbeispiel gemäß
- – über eine erste
Masse 115 , hier eine Platte, welche über elastische Füße oder Federelemente116 gegenüber der Umgebung, hier einem Fundament oder Boden, abgestützt ist, und - – eine zweite Masse
117 , hier eine Drehscheibe118 , die unter Zwischenschaltung eines Torsion-Federelements 119 gegenüber derMasse 115 abgestützt ist,
For the embodiment according to
- - over a
first mass 115 , here a plate, which has elastic feet orspring elements 116 is supported against the environment, here a foundation or ground, and - - a second mass
117 , here a turntable118 , with the interposition of atorsion spring element 119 opposite to themass 115 is supported,
Auf der dem Federelement
Das zweite Schwingungsteilsystem
Für die Ausbildung des Prüflings
Mittels des Torsions-Schwingungssystems
Für das dargestellte Ausführungsbeispiel ist die Biege-Resonanzfrequenz des Biege-Schwingungssystems
Für die dargestellte Ausführungsform besitzt das Torsionsschwingerkette mehrere Resonanzfrequenzen. Bei der erfindungsgemäß genutzten Resonanzfrequenz handelt es sich um die Resonanzfrequenz des ersten Schwingungsteilsystems
Die Masse
Im einer Ausgestaltung der Erfindung entsprechen die Erregerfrequenzen Ω der Aktuatoren
In abgewandelter Ausgestaltung können die Schwingungsteilsysteme
Erfindungsgemäß erfolgt vorzugsweise eine Vorgabe mindestens einer Erregerfrequenz, ohne dass eine Regelung der Amplitude der Gesamt-Unwuchtkraft zwingend erforderlich ist. Allerdings ist durchaus möglich, dass die Systemantwort der Schwingungsteilsysteme
Die Erfindung ist weder eingeschränkt auf die Prüfung von Kurbelwellen – vielmehr kann eine Prüfung beliebiger Prüflinge in Form von Bauteilen oder Werkstoffproben mittels der erfindungsgemäßen Schwingungsprüfeinrichtung
Für die Ausführungsform gemäß
In der Beschreibung ist lediglich eine Belastung des Prüfling
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- SchwingungsprüfeinrichtungSchwingungsprüfeinrichtung
- 22
- Steuereinrichtungcontrol device
- 33
- Steuersignalcontrol signal
- 55
- Aktuatoractuator
- 77
- Gesamt-UnwuchtkraftOverall imbalance force
- 99
- Schwingungs(teil-)systemVibration (partially) system
- 1111
- Belastungburden
- 1313
- Prüflingexaminee
- 1414
- Federfeather
- 1515
- Baueinheitunit
- 1616
- Gehäusecasing
- 1717
- Unwuchterregerunbalance exciter
- 1818
- Unwuchterregerunbalance exciter
- 1919
- Unwuchtmasseunbalanced mass
- 2020
- Unwuchtmasseunbalanced mass
- 2121
- Unwuchtmasseunbalanced mass
- 2222
- Unwuchtmasseunbalanced mass
- 2323
- resultierende Unwuchtkraftresulting imbalance
- 2424
- resultierende Unwuchtkraftresulting imbalance
- 2525
- Gesamt-UnwuchtkraftOverall imbalance force
- 2626
- Antriebsaggregatpower unit
- 2727
- Antriebsaggregatpower unit
- 2828
- Antriebsaggregatpower unit
- 2929
- Antriebsaggregatpower unit
- 3030
- Kopplungs- und FührungselementCoupling and guide element
- 5757
- Federelementspring element
- 5858
- UmgebungSurroundings
- 101101
- SchwingungsprüfeinrichtungSchwingungsprüfeinrichtung
- 102102
- Steuereinrichtungcontrol device
- 103103
- Steuersignalcontrol signal
- 104104
- Steuersignalcontrol signal
- 105105
- Aktuatoractuator
- 106106
- Aktuatoractuator
- 107107
- Gesamt-UnwuchtkraftOverall imbalance force
- 108108
- Gesamt-UnwuchtkraftOverall imbalance force
- 109109
- SchwingungsteilsystemVibration subsystem
- 110110
- SchwingungsteilsystemVibration subsystem
- 111111
- erste Belastungfirst load
- 112112
- zweite Belastungsecond load
- 113113
- Prüflingexaminee
- 114114
- Torsions-SchwingungssystemTorsional vibration system
- 115115
- MasseDimensions
- 116116
- Federelementspring element
- 117117
- MasseDimensions
- 118118
- Drehscheibeturntable
- 119119
- Federelementspring element
- 120120
- Haltevorrichtungholder
- 121121
- Kurbelwellecrankshaft
- 122122
- Haltevorrichtungholder
- 123123
- MasseDimensions
- 124124
- Drehscheibeturntable
- 125125
- Längs- und TorsionsachseLongitudinal and torsion axis
- 126126
- Biege-SchwingungssystemBending vibration system
- 127127
- Hubzapfencrank pins
- 128128
- Wangecheek
- 129129
- Wangecheek
- 130130
- Einstelleinrichtungadjustment
- 131131
- Zusatzmasseadditional mass
- 132132
- Zusatzmasseadditional mass
- 133133
- Abstanddistance
- 134134
- Spindelwellespindle shaft
- 135135
- Übertragungsfunktiontransfer function
- 136136
- Übertragungsfunktiontransfer function
- 137137
- Erregerfrequenzexcitation frequency
- 138138
- Kurbelwellengehäusecrankcase
- 139139
- Pleuelpleuel
- 140140
- Pleuelpleuel
- 141141
- Federelementspring element
- 142142
- Federelementspring element
- 143143
- Vorspanneinrichtungbiasing means
- 144144
- Vorspanneinrichtungbiasing means
- 145145
- translatorisches Schwingungsteilsystemtranslatory vibration subsystem
- 146146
- translatorisches Schwingungsteilsystemtranslatory vibration subsystem
- 147147
- Schwingungsachseaxis of oscillation
- 148148
- Schwingungsachseaxis of oscillation
- 149149
- Winkelangle
- 150150
- Übertragungsfunktiontransfer function
- 151151
- Übertragungsfunktiontransfer function
- 152152
- ResonanzüberhöhungsniveauResonant peak level
- 153153
- AnregungsfrequenzbereichExcitation frequency range
- 154154
- Resonanzfrequenzresonant frequency
- 155155
- Resonanzfrequenzresonant frequency
- 156156
- Abstanddistance
- 157157
- Federelementspring element
- 158158
- UmgebungSurroundings
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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R020 | Patent grant now final |
Effective date: 20121020 |